Магнитные материалы
Ферромагнитные материалы широко используются для изготовления сердечников трансформаторов, дросселей, электрических машин, магнитных усилителей, контакторов, датчиков и др. При этом используются свойства ферромагнетика усиливать (концентрировать) магнитные поля за счёт собственной намагниченности.
|
|
|
Рисунок 2.1 – Катушка с ферромагнитным сердечником
К катушке подводится переменная внешняя ЭДС ес частотой fc, W – число витков в обмотке. При протекании тока i в сердечнике создаётся магнитный поток Ф, который в основном замыкается по сердечнику, так как магнитное сопротивление воздуха в μ раз больше чем у сердечника (μ – относительная магнитная проницаемость). Часть магнитного потока замыкается, минуя сердечник – это поток рассеяния Фs.. Пока потоком рассеяния пренебрегаем.
Если сердечник первоначально был полностью размагничен, то процесс его намагничивания в координатах индукция - напряжённость идёт по линии 0 – b (рисунок 2.2). На этом рисунке: В – магнитная индукция [Вб/м2] = Тесла, Н – напряженность магнитного поля [ А/м].
Когда внешняя ЭДС меняет знак, то сердечник перемагничивается в другую сторону, но в точку 0 он уже никогда не вернётся. Рабочая точка перемещается по
Рисунок 2.2 – Намагничивание сердечника (петля гистерезиса)
частной петле гистерезиса (b-d-b). Если увеличить внешнюю ЭДС, то площадь петли возрастает. Вершина петли переходит из точки b в точку a. В конце концов настаёт такой момент, когда увеличение ЭДС не приводит к увеличению площади петли гистерезиса, которая в этом случае называется кривой предельного цикла. Она отсекает на оси абсцисс отрезок HC , называемый коэрцитивной силой, а на оси ординат отрезок Br - остаточную индукцию. Индукция в сердечнике при напряжённости H = 5HC называется максимальной индукцией - Bm . Величины Br, HC и Bm являются справочными параметрами магнитного материала. Напомним также, что μа = В / Н – абсолютная магнитная проницаемость, μ0 = 4π10-7 [Гн / м]
– магнитная проницаемость вакуума, μ = μа / μ0 – относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина), индуктивность измеряется в генри - [Гн] = [в * сек / а] = [Ом * сек], магнитный поток Ф измеряется в веберах - [Вб] = [в * сек], отношение Br /Bm= П – коэффициент прямоугольности магнитного материала.
Геометрическое место точек вершин частных петель гистерезиса есть основная кривая намагничивания В(Н), которая приведена на рисунке 2.3.
|
|
|
|
кривая Столетова - µ
|
Параметры сердечника определяются свойствами магнитного материала и весьма существенно конструкцией магнитопровода. В качестве магнитных материалов используют различные высокоуглеродистые стали, пермаллои, магнитодиэлектрики и ферриты [31,37]. В зависимости от технологии изготовления различают сердечники пластинчатые, ленточные и прессованные. На частотах 50…400 Гц используют сталь в виде лент или пластин толщиной 0,3…0,5 мм, а на частотах 400…1000 Гц – 0,1…0,2 мм. На более высоких частотах используют пермаллои, магнитодиэлектрики и ферриты.
Пермаллой– железоникелевый сплав – сталь с высоким процентным содержанием Cr, Ni, Mn, Co, Mo. Используют в виде лент толщиной 5…20 микрон. Это “магнитомягкий” материал (узкая петля гистерезиса – Нс менее 5 А/м).
Магнитодиэлектрик – мелкодисперсный ферромагнитный порошок, формируемый в сердечники связующим материалом на основе полистирола. Используются на высоких частотах ( 1…500 кГц). Это альсиферы и прессованный пермаллой – прессперм ( порошок пермаллоя!).
Феррит– ферромагнитный порошок спекаемый при высокой температуре (~ 1200 ۫С) и давлении до 30 Атм. Ферриты более технологичны и дешевле в производстве, но в диапазоне температур от – 60 до + 125 ۫0С их индукция изменяется на 30%, а у пермаллоя на 5%. В таблице 2.1 приведены характеристики некоторых магнитных материалов.
Таблица 2.1 – Характеристики магнитных материалов
Название, марка | Вm, Тл | Нс, А/м | μнас. | μmax. | П | Точка Кюри | |
Сталь | 1,9 | - | |||||
2,0 | - | ||||||
Пермаллой | 50НП | 1,5 | - | 0,93 | |||
79НМ | 0,85 | 1,5 | 0,4 | ||||
80НХС | 0,65 | 3,2 | - | ||||
Магнито- диэлектрик | ТЧ – 60 (альсифер) | 0,5 | - | 0,1 | - | ||
МП – 60 | 0,4 | - | - | ||||
МП – 140 | 0,5 | - | |||||
МП – 250 | 0,8 | - | - | ||||
Феррит | 1500 НМ3 | 0,35 | 0,25 | ||||
2000 НМ1 | 0,38 | 0,32 | |||||
1000 НН | 0,27 | 0,55 |
Пояснения к таблице:
а) Точка Кюри – температура, выше которой материал перестаёт быть
ферромагнетиком.
б) Маркировка электротехнической стали выполняется четырьмя
цифрами от 1 до 4 – 1234 , при этом:
Первая цифра (1) обозначает тип проката стали:
1– горячая изотропная
2 – холодная изотропная (свойства стали независят от направления
намагничивания )
3 – холодная анизотропная (свойства стали зависят от направления
намагничивания )
Вторая цифра (2) показывает содержание кремния в процентах:
1 – 0,8 … 1,8 %
2 – 1,8 … 2,8 %
3 – 2,8 … 3,8 %
4 – 3,8 … 4,8 %
Третья цифра (3) показывает удельные потери размерностью [Вт/кг].
Четвёртая цифра (4) обозначает номер модификации (разработки).
в) Число в маркировке пермаллоев указывает процентное содержание
никеля (50НП – 50% Ni ), а буквы – другие компоненты: Н –
никель, М – марганец, Х – хром, К – кобальт, П – прямоугольная
петля гистерезиса.
г) Число в маркировке магнитодиэлектриков и ферритов показывает
максимальную магнитную проницаемость, а буквы – повышенное
содержание какого-либо химического элемента: Н – никеля; М –
марганца.
На форму петли и магнитные характеристики влияет много факторов такие как, частота, температура и толщина ленты. Например, если Нс исх – коэрцитивная сила массивного образца, то зависимость коэрцитивной силы от толщины ленты выглядит как показано на рис. 2.4
Рисунок 2.4 – Зависимость коэрцитивной силы от толщины ленты
Видно, что для тонких лент 3, 5, 10, 20, 30 и 50 микрон коэрцитивная сила существенно увеличивается.
Магнитные свойства ферромагнетиков зависят и от частоты приложенного напряжения.
Рисунок 2.5 – Зависимость петли гистерезиса от частоты для пермаллоя
50НП толщиной 0,05 мм (50 микрон)
Видно, что с увеличением частоты f, уменьшается магнитная проницаемость μа = В/H, расширяется петля гистерезиса и увеличиваются потери.
На магнитные свойства ферромагнитных материалов существенно влияет и температура. С ростом температуры увеличивается омическое удельное сопротивление сердечника, уменьшаются потери на вихревые токи и уменьшается Нс и Вm. Для различных материалов степень такого влияния существенно отличается. При нагревании ферромагнетика до температуры Кюри материал теряет магнитные свойства, петля гистерезиса стягивается в точку – домены разрушаются, но восстанавливаются при уменьшении температуры. (Напомним, что домен это область спонтанной однородной намагниченности с геометрическими размерами в пределах 10-5…10-4м и внутри каждого домена вещество намагничено до насыщения.) То есть теплового гистерезиса не наблюдается.
Дата добавления: 2017-09-01; просмотров: 1546;